阅读说明：本技术 混合滤波器 (Hybrid filter ) 是由 M·希克 R·罗塞齐恩 于 2018-12-19 设计创作，主要内容包括：本发明使用同一衬底在单个设备上组合两种滤波技术。在该衬底上布置滤波器电路,该滤波器电路具有串联阻抗元件和并联阻抗元件的阶梯型布置或点阵型布置,以提供具有例如带通功能的混合滤波器。阻抗元件选自BAW谐振器和LC元件。(The present invention combines two filtering techniques on a single device using the same substrate.A filter circuit is disposed on the substrate, the filter circuit having a ladder-type arrangement or a lattice-type arrangement of series impedance elements and parallel impedance elements to provide a hybrid filter having, for example, a bandpass function.)

混合滤波器

背景技术

声学滤波器通常具有阶梯型结构或点阵型结构。在阶梯型结构中，串联谐振器和并联谐振器被组合以生成期望滤波器功能，例如，带通功能。在点阵型结构中，具有串联谐振器的两个串联信号线与并联支路互连，其中分别布置并联谐振器。这种滤波器结构的可实现带宽可以估计为所用谐振器的极点-零点距离(PZD)的大约两倍。这种滤波器结构的标准拓扑结构使用SAW谐振器或BAW谐振器，两者的PZD相当。由于BAW谐振器与SAW谐振器相比较时，它们的功率电阻更高，所以在高于2GHz的频率下并且在要处理高功率信号的所有情况下，优选BAW谐振器。

对于最近出现的高频高带宽应用，要求超出了这些标准结构的可实现性能。因此，需要非标准拓扑。

LC元件还可以用于形成滤波器结构。尽管LC滤波器的带宽较高，但是由于Q因子较低，因此可实现的通带的裙边不如SAW技术或BAW技术中的声学谐振器的陡峭。

为了进一步提高滤波器通带的临界裙边的性能，声学谐振器与LC元件结合使用以增强裙边的陡度，从而维持高带宽。

在公开的专利申请US 2017/0077079 A1中描述了一种提高LC元件的质量的最新方法。在该最近方法中，玻璃衬底用于在嵌入电介质的多层金属化中构建高Q LC元件。通孔用于互连不同的金属化层级并且提高集成因子。在下文中，这些LC元件称为POG元件(玻璃上无源元件)，而相关的制造工艺称为POG工艺。

另一方面，BAW滤波器通常形成在半导体晶圆上，以用于其中半导体设备的可能集成。

因此，通过组合BAW结构和LC结构形成混合滤波器导致了用于实现该组合的两个不同且因此分离的衬底的缺点。需要两个管芯导致大量面积消耗，这在移动设备或手持设备中可能至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服了上文所提及的问题的滤波器。

该目的和其他目的通过根据权利要求1的混合滤波器来实现。本发明的其他实施例是其他权利要求的主题。

本发明的总体思想是要把这两种技术使用同一衬底组合在单个设备上。在该衬底上，布置了具有串联阻抗元件和并联阻抗元件的阶梯型布置或点阵型布置的滤波器电路。阻抗元件选自BAW谐振器和LC元件。LC元件至少包括金属-绝缘体-金属电容器(MIM电容器)和线圈。LC元件由多层级金属化形成。所述多层级金属化的每个层级包括嵌入电介质中的至少一个LC元件。以同一金属化层级形成的LC元件通过导体线电连接。这些线可以在集成工艺中与LC元件平行形成。以不同金属化层级形成的LC元件通过通孔互连。这些导体线和通孔还可以用于将LC元件连接到同一晶圆上的BAW谐振器，这取决于它们是布置在设备的同一平面中还是布置在不同平面中。

这种新方法导致减少了的所需开销，即，减少了连接工作量，减少了焊盘和较小的导体线的数目，因此减少了电阻，从而减少了电损耗。此外，与使用两个不同晶圆作为衬底的解决方案相比较，面积消耗得以减少。

在其上实现LC元件的优选衬底是玻璃晶圆。那些晶圆不导电，并且可以设有平整且平坦的表面。玻璃衬底对于在其上构建BAW谐振器也非常有益。在当前BAW处理中，例如，使用经过特殊处理以降低其电导的硅晶圆。由玻璃晶圆制成的衬底进一步降低寄生电导。

然而，如果任何BAW工艺都需要与标准半导体工艺兼容的硅晶圆，则POG工艺也可以在通常用于BAW设备的另一这样的衬底上进行。在两种方法中的任一方法中，仅需要一个衬底，并且整个设备的必要面积减少到以不同技术形成的两个结构中的较大结构的面积。

在优选实施例中，如已经提及的美国专利申请中所描述的，LC元件被实现为玻璃上无源元件(POG)。因此，LC元件以嵌入电介质中的两个或更多个金属化层级形成在玻璃衬底上。电介质可以选自有机材料或电介质陶瓷材料(如氧化硅和类似材料)。

由于LC元件完全嵌入电介质层内，所以其表面可以在随后步骤中被平坦化以提供用于在其上布置BAW结构的平整表面。如果POG元件覆盖有布置在LC元件上方的附加平面电介质层，则可以实现另一优点。在所述平面上直接形成BAW谐振器。BAW谐振器可以以两种当前使用的设计中的任一设计形成。它们可以以SMR(固态安装谐振器)技术形成或形成为在气隙上方悬挂的膜型谐振器。

SMR设备需要布拉格反射镜以将声能保持在BAW设备内。这种声布拉格反射镜形成为具有相对较高的声学阻抗和相对较低的声学阻抗的一组至少两个交替层，其通常是金属和电介质。

在备选实施例中，BAW谐振器形成在衬底的表面上。在以阶梯型结构或点阵型结构互连的BAW谐振器的顶部上，至少形成顶部声学布拉格反射镜。该反射镜为形成在该反射镜上的LC元件提供接口。这样，声能被保持在BAW谐振器内，并且沉积在反射镜上的结构的质量负载对BAW谐振器的声学没有影响。

在另一实施例中，LC元件和BAW谐振器形成在同一衬底的相对表面上。在滤波器电路的该变型中，LC元件可以通过引导穿过衬底的通孔与BAW谐振器电连接。两个顶部表面中的一个顶部表面可以用于在其上形成外部接触焊盘。然而，由于BAW谐振器对机械应力敏感，所以优选滤波器设备的倒装芯片安装，使得BAW谐振器面对其上安装滤波器设备的印刷电路板。体现为POG元件的LC元件对撞击在其上的机械负载不太敏感，因此POG的顶部表面可以用作滤波器设备的顶部表面。

根据另一实施例，所有无源LC元件与BAW谐振器相邻形成在衬底的同一表面上。

在需要无源LC元件和BAW谐振器的堆叠布置的那些实施例中，两种类型的元件之间的界面对于设备的质量和其他特性敏感。优选的是，在多层级金属化和具有BAW谐振器的层之间的界面处布置平面电介质层。优选电介质是氧化硅层，该氧化硅层可以容易进行抛光以使表面尽可能平整且平坦。

在一个实施例中，滤波器电路的所有外部接触焊盘都布置在BAW谐振器的顶部表面上，即，包含BAW谐振器的层的表面上。

根据一个实施例，LC元件包括作为串联阻抗元件的金属-绝缘体-金属电容器和作为阶梯型布置或点阵型布置的并联阻抗元件的线圈。优选地，这些元件以POG布置的不同金属化层级形成和布置。线圈可以实现为平面线圈或三维线圈。虽然平面线圈可以在一个金属化层级内形成，但是三维线圈包括通过分离电介质的通孔互连的两个不同金属化层级的半绕组。在这些情况下，三维线圈的各部分可以形成在与电容器相同的金属化层级中。

虽然LC元件嵌入电介质中，但是BAW谐振器需要一种对机械冲击和质量负载的保护。一种优选方法是薄膜封装，该薄膜封装通过以下各项来在BAW谐振器上方提供气隙：沉积和构造牺牲层、通过刚性盖层覆盖牺牲层、以及通过盖层的开口移除牺牲层以留下在盖层与BAW谐振器的顶部表面(即，谐振器的顶部电极)之间提供气隙的空腔。

附图说明

在下文中，通过参考指定实施例和附图对本发明进行更详细的解释。这些附图仅是示意性的，并未按比例绘制。因此，为了更好的理解，一些细节可能被放大描绘。

图1示出了谐振器的阶梯型布置的框图；

图2示出了包括LC元件和声学谐振器的滤波器电路的框图；

图3示出了例如呈点阵型结构的声学谐振器的滤波器电路的框图；

图4示出了根据本发明的第一实施例的通过混合滤波器的示意性横截面；

图5示出了第二实施例的示意性横截面；

图6示出了根据第三实施例的通过混合滤波器的示意性横截面；

图7示出了根据第一实施例的通过混合滤波器的更详细的横截面；以及

图8示出了通过第四实施例的示意性横截面，其中谐振器段和LC元件布置在衬底的相对表面上。

具体实施方式

图1是谐振器的阶梯型布置的示意性框图。谐振器可以以任何技术来体现，例如，体现为声学谐振器，如BAW谐振器或SAW谐振器。阶梯型结构还可包括LC谐振器，即，电容器和线圈的串联连接。

阶梯型结构包括多个基本段BS_LT，并且每个基本段还包括至少一个串联谐振器BR_S和并联谐振器BR_P。这样的基本段BS_LT可以以实现期望滤波器功能和选择性所必需的数目串联连接。利用谐振器的这种阶梯型布置，可以实现一系列不同的滤波器功能。示例是带通滤波器、高通滤波器和低通滤波器以及组合滤波器，如提取器、双工器或多路复用器。属于相邻基本段的串联谐振器BR_S可以组合为公共串联谐振器BR_S，并且如果并联谐振器BR_P直接相邻并且属于不同基本段BS_LT，则还可以组合这些并联谐振器BR_P。

图2是包括LC元件和声学谐振器的滤波器的示意性框图。仅描绘了可能的滤波器结构的局部段，该滤波器结构包括形成为串联电容器和并联线圈的串联阻抗元件IE_S和并联阻抗元件IE_P。这些LC元件或阻抗元件IE与声学阶梯型结构的一个或多个基本段串联连接。该图示出了一个串联BAW谐振器BR_S和一个并联BAW谐振器BR_P。实际滤波器电路可以包括可以任意组合互连的更多数目的阻抗元件IE或谐振器。这样的滤波器电路不需要在仅包括LC元件的段和仅包括声学谐振器的段中分离，而是还可以包括LC元件和声学谐振器的交替段。

图3示出了可以由声学谐振器BR体现的点阵型结构的示意性框图。点阵型布置包括其中布置有串联谐振器BR_S的两个串联信号线。并联支路以交叉布置互连两条信号线。并联谐振器BR_P分别布置在每个并联支路中。因此，点阵型布置的基本段BS_LC包括两个串联谐振器BR_S和两个并联支路，该两个并联支路包括相应并联谐振器BR_P。点阵型结构可以包括多个这样的基本段BS_LC，以实现期望滤波器功能。

可以级联如图1至图3中任一附图所示的用于滤波器电路的BAW谐振器以提高其功率电阻。级联意指行为类似于单个谐振器的两个或更多个谐振器的串联连接。当级联BAW谐振器时，这需要调整谐振器面积以保持静态电容C_S恒定。双重级联谐振器包括两个串联连接的谐振器，其中每个串联谐振器的面积是普通非级联谐振器的面积的两倍。

图4以更详细但仍然示意性描绘示出了如何以共同布置来实现根据图2的框图的组合滤波器的第一实施例。所得混合滤波器仅用很少的元件来描绘，以示出包括不同种类的元件的堆叠布置的主要结构。

在优选为平整玻璃衬底的衬底SU上形成第一LC元件，并且将其嵌入在第一电介质DE1中。在该图中，LC元件被体现为金属-绝缘体-金属电容器MIM，其是被电介质层DL覆盖的第一金属结构，还是作为第二电容器电极的金属结构。

在第一电介质DE1上方形成并且构造第二金属化层级ML2，并且将其嵌入第二电介质DE2中。在第二金属化层级中构造的一个元件可以是电容器MIM的顶部电极。进一步地，由第二金属化层级ML2构造线圈IND。因而，为了形成平面线圈IND，单个掩模步骤被用于构造第二金属化层级。

金属结构可以由AL或AlCu合金制成。电介质层DL可以是如氧化硅之类的氧化物。

在第一电介质DE1上方形成并且构造第二金属化层级ML2，并且将其嵌入第二电介质DE2中。第二金属化层级中构造的一个元件可以是电容器MIM的顶部电极。进一步地，由第二金属化层级ML2构造线圈IND。因而，为了形成平面线圈IND，单个掩模步骤用于构造第二金属化层级ML2。

可以通过首先形成和构造抗蚀剂掩模，然后在由抗蚀剂掩模暴露的区域中沉积金属来构造金属化层级ML。金属的沉积可以通过将金属镀到籽晶层上来完成，该籽晶层被施加到第一金属化层级的衬底SU的整个表面上或者施加到第一电介质DE1或更高电介质堆叠层级上。在电镀步骤之后，移除抗蚀剂掩模，从而暴露剩余籽晶层区域，该剩余籽晶层区域然后也被移除。

需要在两个相邻金属化层级内形成三维线圈IND(图中未示出)。其中一个可以是第一金属化层级ML1。

为了互连两个金属化层级ML1，ML2，通过在第一电介质DE1的顶部表面中形成开口来暴露下部金属化层级ML1中的相应金属化。施加在其上的第二金属化层级ML2的结构现在可以接触第一金属化层级ML1中的相应结构。不必具有电层级间连接的所有结构通过第一电介质DE1彼此隔离。

在LC元件的至少两级布置上方，具有BAW谐振器BR的声学部分AS以阶梯型结构或点阵型结构布置以形成混合滤波器。BAW谐振器BR可以以任何已知技术在膜上形成为SMR谐振器或FBAR。

该图未示出精确的滤波器电路，而仅指示存在相应数目的BAW谐振器BR。进一步地，通过这种混合滤波器可以实现上文结合图1所提及的各种滤波器功能。

在图4中，未示出不同堆叠层之间的互连。所需互连可以形成为通孔。进一步地，电介质层可以布置在声学段AS与最上面的电介质层DE2之间的界面处。混合滤波器可以包括多于所描绘的两个电介质层DE。

图5示出了LC元件和形成为BAW谐振器BR的声学谐振器的完全不同的布置。本文中，两种类型的元件都直接布置在公共衬底SU的同一表面上。这意味着，从玻璃衬底上的LC布置开始，例如，根据已知POG结构，声学谐振器BR布置在衬底SU的剩余自由表面上。因此，无源阻抗元件段PES与声学谐振器段BRS直接相邻。本文中，无源阻抗元件部分PES还可以包括两个或更多个金属化层级ML。

图6示出了通过第三实施例的示意性横截面。混合滤波器从衬底SU开始，BAW谐振器BR的布置形成到该衬底SU上。谐振器可以封装在薄膜封装中，或者设有沉积到BAW谐振器的顶部电极上的顶部声学反射镜。两种备选方案都是为了保护声学谐振器段免受由沉积到声学谐振器段上的其他层引起的质量负载的影响。在这两种情况下，在将任何其他元件沉积到谐振器段上之前，优选平坦化步骤。可以通过施加足够厚度的电介质来完成平坦化，该电介质可以通过例如化学机械抛光来平坦化。例如体现为根据上述美国专利申请中公开的方法的POG元件的LC元件可以形成到该电介质上。

图7示出了通过混合滤波器的示意性横截面，其中更详细地描绘了无源元件和声学谐振器。该结构与图4所示的第一实施例一致，并且以玻璃衬底SU上的已知POG布置开始。多级金属化MLM可以包括多于两个所描绘的层级ML1和ML2。POG元件构成提供混合特点的滤波器电路的一部分。第一金属化层级ML1嵌入在第一电介质DE1中。第一金属化层级ML1包括MIM电容器的至少一个底部电极，该MIM电容器的底部电极被通常不同于嵌入电介质DE1的电介质层DL覆盖。进一步地，第一金属化层级ML1可以包括线圈IND的各部分以及用于完成LC元件的电路连接的连接平面内导体线。

在第一电介质DE1的顶部上提供第二金属化层级ML2，以包括电容器MIM的至少顶部电极和线圈IND的至少各部分。第二电介质DE2覆盖第二金属化层级ML2的所有结构，从而将其嵌入。通过在期望互连的区域中移除第一电介质DE1的各个部分来暴露第一金属化层级ML1的金属结构，可以提供两个金属化层级ML1和ML2之间的互连。在附图中，从第二金属化层级ML2的左侧开始的前两个结构被描绘为与第一金属化层级ML1的相应结构接触。

在第二电介质DE1的顶部表面上或在最上面的电介质(仅示出两个电介质层DE)的顶部表面上布置平坦化的电介质层。该层可以形成为二氧化硅层。

声学段AS包括声学布拉格反射镜AM和SMR类型的BAW谐振器BR。这种布拉格反射镜由具有交替的高声学阻抗或低声学阻抗的层组成。声学反射镜AM的高阻抗层可以包括金属，因此需要被构造以避免相邻电容器的耦合。低阻抗反射镜层通常由诸如氧化物之类的电介质形成。

在声学反射镜AM的顶部上形成并且构造BAW谐振器的底部电极BE。压电层PL施加到底部电极BE上，该压电层可以保持连续并且无需被构造。在压电层PL的顶部上形成并且构造顶部电极TE。底部电极BE和顶部电极TE的构造导致BAW谐振器BR的集成互连或电路连接，其在图中由相应等同符号指示。

在该图的右侧上，电互连ICN由穿过至少声学反射镜AM并且穿过电介质DE的至少一层的金属结构示意性地描绘。在互连ICN的顶部上，形成用于混合滤波器的外部电连接的接触焊盘CP。混合滤波器可以借助于凸起BU连接到例如外部电路系统，如例如，印刷电路板。

图8示出了本发明的第四实施例的示意性横截面。制造该实施例的布置可以从包括声学谐振器BR的滤波器电路的BAW晶圆开始。谐振器BR可以形成在隔离衬底SU上，优选地，在玻璃衬底上。根据前述示例和实施例，可以在衬底的相对表面上形成包括被体现为POG元件的互连LC元件的多层级金属化。

混合滤波器的外部接触可以通过POG段的顶部上或可替代地通过包括BAW谐振器BR的声学谐振器段的顶部上的接触焊盘形成。LC元件和BAW谐振器BR通过穿过衬底(未在图中示出)的通孔互连。

仅通过有限数目的示例对本发明进行了说明，因此本发明不限于这些示例。本发明由权利要求的范围限定，并且可以偏离所提供的实施例。

其他这样的实施例可以包括在所呈现的实施例中未示出的其他细节。进一步地，混合滤波器可以包括提供期望滤波器功能的LC元件和BAW谐振器的任意电路。

使用的术语和附图标记的列表

filter circuit 滤波器电路

conductor line 导体线

top acoustic mirror 顶部声学反射镜

AM (底部)声学反射镜

ARS 声学谐振器段

AS 声学段

BE 底部电极

BR BAW谐振器

BS_LC 点阵型布置的基本段

BS_LT 阶梯型布置的基本段

BU 凸起

CP 外部接触焊盘

DE 电介质

DL 电介质层，例如，氧化硅层

ICN 互连/通孔

IE_P 并联阻抗元件

IE_S 串联阻抗元件

IE_S，IE_P LC 元件

IND 线圈

MIM MIM电容器

ML 金属化层级

MLM 多层级金属化

PES 无源阻抗元件段

PL 压电层

SU 衬底

TE 顶部电极